毅力号火星探测器首次从火星上提取氧气
NASA喷气推进实验室的技术人员将火星氧气原位资源利用实验（MOXIE）仪器放入毅力号火星探测器的腹部。
影像来源：NASA/JPL-Caltech
NASA最新的六轮火星机器人毅力号的第一清单不断增加，其中包括将火星稀薄、富含二氧化碳的大气转化为氧气。毅力号上的一个烤面包机大小的实验仪器火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)完成了这项任务。测试于4月20日进行，这是自2月18日登陆火星以来的第60个火星日。
虽然这项技术演示才刚刚开始，但它可以为科幻小说成为科学事实铺平道路——在火星上隔离和储存氧气，以帮助火箭把宇航员送上火星表面。这些设备有朝一日也可能为宇航员提供可呼吸的空气。MOXIE是一项探索技术调查，与火星环境动力学分析仪(MEDA)气象站一样，由美国宇航局空间技术任务局（STMD）和人类探索与行动任务局赞助。
“这是在火星上将二氧化碳转化为氧气的关键的第一步，”STMD的副局长吉姆·罗伊特(Jim Reuter)说。“MOXIE还有更多的工作要做，但我们对这项技术演示的结果充满希望，因为我们正朝着有一天能在火星上看到人类的目标迈进。氧气不仅仅是我们呼吸的东西。火箭推进剂依赖于氧气，未来的探险者将依靠在火星上生产推进剂来完成回家的旅程。”
对于火箭或宇航员来说，氧气是关键，MOXIE的首席研究员、麻省理工学院干草堆天文台的迈克尔·赫克特(Michael Hecht)说。
为了燃烧燃料，火箭必须有更多的氧气。在未来的任务中，让四名宇航员离开火星表面将需要大约15000磅(7吨)的火箭燃料和55000磅(25吨)的氧气。相比之下，在火星上生活和工作的宇航员呼吸所需的氧气要少得多。赫克特说:“在火星表面待一年的宇航员可能共用1吨重的氧气。”
将25吨氧气从地球运送到火星将是一项艰巨的任务。运输一个一吨重的氧气转化器——MOXIE的一个更大、更强大的新一代产品，可以生产25吨的氧气转化器——将更加经济和实用。
火星的大气层96%是二氧化碳。MOXIE的工作原理是将氧原子从二氧化碳分子中分离出来，二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子组成。一氧化碳——一种废物，被排放到火星的大气中。
该转换过程需要高水平的热量，以达到大约1470华氏度（800摄氏度）的温度。为了适应这一点，MOXIE装置是用耐高温的材料制成。这些材料包括3D打印的镍合金部件，用于加热和冷却流经它的气体，以及一种有助于保持热量的轻质气凝胶。MOXIE外部有一层薄薄的金色涂层，可以反射红外热量，防止其向外辐射，从而防止其可能损坏毅力号的其他部件。
经过2小时的预热，MOXIE开始以每小时6克的速度生产氧气。在运行过程中制氧速度减缓了两次（被称为 “电流扫描”），以评估仪器的状态。经过一个小时的运行，产生的氧气总量约为5.4克，足以让宇航员在大约10分钟的正常活动中保持健康。
影像来源：MIT Haystack Observatory
在这第一次实验中，MOXIE的氧气产量相当低——大约5克，相当于一个宇航员大约10分钟的可呼吸氧气。按照设计，MOXIE可以每小时产生10克氧气。
这一技术演示的目的是确保该仪器在从地球发射、近7个月的深空旅行以及2月18日毅力号着陆后仍能使用。预计MOXIE将在火星一年的时间里（地球上差不多两年）至少再提取9次氧气。
这些氧气生产运行将分三个阶段进行。第一阶段将检查和描述仪器的功能，而第二阶段将在不同的大气条件下运行仪器，如一天中的不同时间和季节。在第三阶段，Hecht说，”我们将推陈出新” – 尝试新的操作模式，或引入 “新的皱纹，例如我们比较在三个或更多不同温度下的操作”。
“这些产氧过程将分为三个阶段。第一阶段将检查和描述仪器的功能，而第二阶段将在不同的大气条件下运行仪器，如不同的时间和季节，”赫克特说。“在第三阶段，我们将突破极限——尝试新的操作模式，或引入新的挑战，例如我们将在三种或更多不同温度下进行操作比较。”
“MOXIE不仅仅是在另一个世界制造氧气的第一个仪器，”STMD的技术演示总监特鲁迪·科特斯（Trudy Kortes）说。“这是同类中的第一项技术，它将利用另一个世界环境中的要素（也称为现场资源利用）来帮助将来的任务在陆地上生活。”
“它是把你在地面上发现的这种物质风化层，通过加工厂加工成一个大型结构，或者是把二氧化碳——大气的大部分——转化为氧气，”科特斯说。“这个过程让我们可以把这些丰富的材料转化成有用的东西：推进剂、可呼吸的空气，或者与氢氧结合的水。”
MOXIE仪器的示意图，描述了该仪器内的元素。
影像来源：NASA/JPL
毅力号的更多相关信息
毅力号任务在火星上的主要目标是天体生物学，包括寻找古微生物生命的迹象。毅力号将对火星的地质和过去的气候进行表征，为未来人类探索红色星球铺平道路，除此之外，毅力号任务还是第一个收集和储存火星岩石和风化层（regolith，破碎的岩石和尘土）样本的任务。
NASA将与欧洲空间局（European Space Agency，ESA）合作进行后续的飞行任务，送探测器前往火星，从火星表面收集暂时缓存的样本，然后将它们返回地球进行进一步的分析。
喷气推进实验室由位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院（Caltech）为NASA代为管理，毅力号的建造和运营管理由喷气推进实验室负责。
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